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    壓縮機網(wǎng) >雜志精華>正文

    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>

       【壓縮機網(wǎng)】密封潤滑一直是回旋容積式流體機械的老大難問(wèn)題,渦旋式、羅茨式、螺桿式、齒輪式、滑片式等眾多主流結構形式,可補償的密封問(wèn)題(接觸密封)均難理想解決,采用較多的主要是非接觸式的微間隙密封(效果有限),或者犧牲密封性能放棄補償,機械性能難以充分發(fā)揮。
     
      “行星式流體能量轉換結構”屬于一種容積式的回旋結構(結構原理詳見(jiàn)《壓縮機》雜志2019年第10期),其結構對稱(chēng)、轉子同心旋轉、行星輥平動(dòng)公轉,在冷卻(必要時(shí)可通過(guò)輸出軸、轉子、行星輥軸及行星輥形成冷卻道,后同)、密封、潤滑等方面均存在較理想的實(shí)施條件,雖看似復雜,但效果佳、磨損?。ㄐ行禽伓鄠€(gè)密封件分段輪流負責密封),在大流量、高壓差等方面具有較明顯優(yōu)勢(圖1為軸向剖視圖,圖2為徑向剖視圖,圖3為工作腔輪廓線(xiàn)圖,圖4為行星輥橫截面輪廓線(xiàn)圖)。下面重點(diǎn)從主要密封件通過(guò)性、受力、控制、潤滑等方面做一些粗略性探討。
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>

    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>

      一、密封件通過(guò)性分析:
     
      為增強密封效果及強度,M、D、G點(diǎn)密封件接觸密封處均進(jìn)行了不同程度的倒圓處理,這會(huì )破壞相應型線(xiàn),亦破壞了密封件在該“三點(diǎn)相遇”時(shí)的通過(guò)性(說(shuō)明:若未指明,文中D點(diǎn)通指與D1、D2、D3、D4點(diǎn)相關(guān)的點(diǎn),M點(diǎn)通指M1、M2點(diǎn),G點(diǎn)通指與G1、G2、G3、G4點(diǎn)相關(guān)的點(diǎn),后同)。
     
      “三點(diǎn)相遇”(圖7、圖8)出現在行星輥經(jīng)過(guò)M1點(diǎn)的過(guò)程中,僅需在D1、M1、D2三個(gè)密封點(diǎn)中保留M1點(diǎn)的密封性能,即可確保D1、D2點(diǎn)密封件與M1點(diǎn)密封件之間相互避讓、平滑過(guò)渡(避免嚴重擠壓、碰撞)。下面就“三點(diǎn)相遇”、行星輥圓弧面(包括D點(diǎn))密封件順利通過(guò)G點(diǎn)進(jìn)入轉子腔槽做一些粗略探討(若未特別說(shuō)明,行星輥上密封件的常態(tài)均為“常凸”,后同)。
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
     
      1.D點(diǎn)運動(dòng)特性
     
      圖5所示,結合圖3,行星輥D1點(diǎn)運動(dòng)軌跡是以(a、b)為圓心、行星輥軸心軌跡半徑R1為半徑的圓(D2、D3、D4點(diǎn)軌跡圓的圓心分別為(-a、b)、(-a、-b)、(a、-b),半徑均為R1),D1點(diǎn)只負責從M1點(diǎn)到B1點(diǎn)這段定子內壁曲面的密封(第一曲線(xiàn)16對應的曲面),大約相當于定子內壁圓周的六分之一(D1點(diǎn)密封件磨損會(huì )大大降低)。
     
      在M1點(diǎn)時(shí)(轉子順時(shí)針旋轉,后同),D1點(diǎn)運動(dòng)方向為其軌跡圓在M1點(diǎn)的切線(xiàn)方向(圖6),其速度v在橫坐標的分量為vx、縱坐標的分量為vy,為避免D1點(diǎn)與M1點(diǎn)的密封件之間出現強烈擠壓或碰撞,確保它們側向滑過(guò)(可適度擠壓),須適度控制它們之間接觸的方式及時(shí)機。
     
      2. M、D、G點(diǎn)密封件通過(guò)性
     
      由于M、D點(diǎn)密封件接觸面外形均不是理論型線(xiàn),其接觸點(diǎn)均不是理論上的點(diǎn),客觀(guān)上M、D、G三點(diǎn)只是近似的靠近,不可能真正三點(diǎn)合一的接觸,密封件之間的合理避讓尤為重要,當然,M、D點(diǎn)密封件接觸面的外形須合理設計。
     
      M1點(diǎn)從G1點(diǎn)過(guò)渡到D1點(diǎn):G1點(diǎn)運動(dòng)到M1點(diǎn)時(shí)(圖7),D1點(diǎn)密封件弧形接觸面可略低于M1點(diǎn)(視設計要求而定)、即D1點(diǎn)延時(shí)出現(避免兩點(diǎn)過(guò)早相遇),同時(shí),被約束在G1點(diǎn)附近轉子腔槽內的D1點(diǎn)密封件(如滾針、密封角等)只能隨轉子的旋轉(順時(shí)針?lè )较?,后同)而逐漸被釋放,可確保D1點(diǎn)與M1點(diǎn)的密封件之間側向平滑過(guò)渡,避免正面接觸、擠壓;
     
      M1點(diǎn)從D1點(diǎn)過(guò)渡到行星輥凹面:此時(shí)D1點(diǎn)密封件型面需適度突破行星輥凹面,以免M1點(diǎn)密封件與行星輥凹面之間出現碰撞;
     
      M1點(diǎn)從行星輥凹面過(guò)渡到D2點(diǎn):此時(shí)(圖8)M1、D2點(diǎn)密封件分別受定子內壁及行星輥凹面型線(xiàn)限制,密封點(diǎn)逐漸靠近理論位置,可大大提升通過(guò)性,確保其與M1點(diǎn)密封件之間側向平滑過(guò)渡;
     
      M1點(diǎn)從D2點(diǎn)過(guò)渡到G2點(diǎn):此時(shí)須確保D2點(diǎn)密封件略高于G2點(diǎn),以便M1點(diǎn)平滑過(guò)渡到G2點(diǎn)。
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
     
      在行星輥經(jīng)過(guò)M1點(diǎn)附近時(shí)(圖10),理論上至少存在雙重密封(進(jìn)出口分別位于M1點(diǎn)兩側一定距離外),即M1點(diǎn)與行星輥凹面(第23曲線(xiàn)對應的曲面)之間的密封、D1點(diǎn)與第一曲線(xiàn)對應的曲面之間的密封、或D2點(diǎn)與第二曲線(xiàn)對應的曲面之間的密封,此時(shí),只需保留M1點(diǎn)與行星輥凹面之間的密封即可,這為解決D1點(diǎn)、D2點(diǎn)密封件順利通過(guò)M1點(diǎn)密封件提供了便利條件。
     
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
      3.行星輥圓弧面密封件(包括D點(diǎn))進(jìn)入轉子腔槽的通過(guò)性
     
      若行星輥圓弧面密封件的常態(tài)為 “常凸”(突破行星輥圓弧面實(shí)際型線(xiàn)):
     
      轉子腔槽型線(xiàn)直徑略大于行星輥密封件常凸外沿直徑時(shí),可確保行星輥圓弧面密封件順利通過(guò)G點(diǎn),僅需在轉子腔槽內適當位置修正型線(xiàn)以確保密封效果;
     
      轉子腔槽型線(xiàn)直徑略小于行星輥密封件常凸外沿直徑時(shí),須通過(guò)“液壓控制孔”對行星輥圓弧面密封件進(jìn)行時(shí)時(shí)控制(詳見(jiàn)“密封件控制”),才能確保其順利通過(guò)G點(diǎn)。
     
      4.型線(xiàn)修正
     
      定子內壁M點(diǎn)附近、以及行星輥D點(diǎn)附近的理論型線(xiàn)均呈較尖銳的角度,不適宜密封件接觸點(diǎn)外形。為確保密封效果及通過(guò)性,M點(diǎn)及D點(diǎn)密封件接觸面外形須進(jìn)行類(lèi)似圓弧形的平滑處理(會(huì )突破其理論型線(xiàn),如滾針等,圖9),但這又會(huì )導致密封件實(shí)際外形與對應密封面的理論型線(xiàn)之間不匹配,出現極小范圍的突破,所以必要時(shí)可對M點(diǎn)附近型線(xiàn),以及D點(diǎn)附近行星輥凹面型線(xiàn)(或全部凹面)做相應修正(這里不深入探討任何具體的型線(xiàn)修正方案,后同)。另外:
     
      G1點(diǎn)附近轉子腔槽內壁型線(xiàn)適度修正,確保D1點(diǎn)密封件與M1點(diǎn)密封件之間側向、平滑過(guò)渡;
     
      G1點(diǎn)附近轉子圓周面型線(xiàn)適度修正,確保M1點(diǎn)密封件從G1點(diǎn)圓周面平滑過(guò)渡到D1點(diǎn)密封件;
     
      G2點(diǎn)附近轉子腔槽內壁型線(xiàn)適度修正,確保D1點(diǎn)密封件順利進(jìn)入G2點(diǎn)附近轉子腔槽、并減輕D2點(diǎn)密封件與M1點(diǎn)密封件之間的擠壓強度;
     
      G2點(diǎn)附近轉子圓周面型線(xiàn)適度修正,確保M1點(diǎn)密封件從D2點(diǎn)密封件平滑過(guò)渡到轉子圓周面;
     
      轉子腔槽內壁適當位置型線(xiàn)修正(圖11),確保行星輥圓弧面在腔槽內的密封效果。
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
     
      須注意的是,D點(diǎn)位于M點(diǎn)附近時(shí)(圖10),M點(diǎn)附近定子曲面對應曲線(xiàn)與D點(diǎn)附近行星輥凹面對應曲線(xiàn)之間相距極近、幾乎重疊,須避免密封件及其附件(滾針夾等,后同)對相關(guān)型面以及該部分型面相互之間的接觸擠壓。
     
      二、密封件
     
      作為流體機械,應用環(huán)境極其復雜,對密封件的要求各異,這里僅就滾針、密封片、密封角(D點(diǎn))、密封塊、齒形密封條等做一些粗略性探討(圖12)。
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
     
      對于行星輥圓弧面(圖3:第22、24曲線(xiàn)對應的圓弧面),其經(jīng)過(guò)定子內壁底部圓弧面(圖3:第17、20圓弧線(xiàn)對應的圓弧面)時(shí),行星輥圓弧面上每次均有1-3個(gè)密封件同時(shí)參與密封(圖13:滾針或密封片),每個(gè)密封件僅需負責極短距離的密封,密封效果好,磨損極小。
     
      1.滾針
     
      滾針是具一定自潤滑功能的圓柱體(必要時(shí)可增設軸向補償),可將滑動(dòng)摩擦適度轉化為滾動(dòng)摩擦,滾針最好與滾針護墊配套使用(滾針護墊上開(kāi)設有潤滑油槽),既保護滾針又方便滾針潤滑,必要時(shí)可增設輔助滾針(控制潤滑油供應量,隔熱保護潤滑油)。若行星輥上滾針的常態(tài)設為常凸(凸出行星輥圓弧面),必要時(shí)需與滾針夾(圖12)配套使用,以便滾針及時(shí)回縮控制(及時(shí)凹進(jìn)行星輥圓弧面,以免滾針與G點(diǎn)發(fā)送碰撞)。
     
      優(yōu)點(diǎn):滾動(dòng)摩擦小,潤滑方便,對定子內壁面磨損小,方便在不同密封件之間(M點(diǎn)與D點(diǎn))相互避讓、平滑過(guò)渡。對于大直徑流體機械結構,滾針內部還可開(kāi)設冷卻孔。
     
      缺點(diǎn):結構相對較復雜,滾針直徑不宜太小,較占用位置空間,制約整體布局;滾針與滾針槽(夾)口唇部?jì)缺谥g屬滑動(dòng)摩擦,存在一定磨損,嚴重時(shí)會(huì )影響口唇部強度;滾針槽(夾)口唇部難以冷卻,高溫時(shí)會(huì )出現油污(少量油污對口唇部具保護作用),嚴重時(shí)可能會(huì )影響滾針轉到;滾針會(huì )對滾針槽(夾)口唇部頻繁擠壓,對材料強度要求較高。
     
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
      2.密封片
     
      密封片橫截面呈矩形,密封接觸面須適度倒圓,可用于M點(diǎn)、行星輥D點(diǎn)及圓弧面,必要時(shí)可增設軸向補償(菱封等),行星輥上的密封片須增設防脫卡(圖16),限制其外移程度,防止其過(guò)分脫出或脫離行星輥。
     
      優(yōu)點(diǎn):密封件本身結構簡(jiǎn)單,成本低,密封效果好,控制容易,耐用。
     
      缺點(diǎn):滑動(dòng)摩擦相對較大,M、D點(diǎn)密封件接觸面外形可能因磨損而改變(嚴重時(shí)可能會(huì )影響密封效果),行星輥圓弧面密封片潤滑、控制較復雜(詳見(jiàn)“密封件控制”、“密封件潤滑”)。
     
      3.密封角
     
      密封角是D點(diǎn)專(zhuān)用密封件(圖14),設有防脫卡,其密封接觸面為圓形(與D點(diǎn)旁的兩條圓弧線(xiàn)相切),右側型線(xiàn)為行星輥圓弧面的理論圓弧線(xiàn)(須視情況而定),弧線(xiàn)長(cháng)度須確保D1點(diǎn)密封件與M1點(diǎn)密封件之間側向、平滑過(guò)渡(避免密封角過(guò)早從卡槽外移);左側型線(xiàn)為行星輥凹面的理論圓弧線(xiàn)(須視情況而定),弧線(xiàn)長(cháng)度須確保M1點(diǎn)密封件從D1點(diǎn)密封件平滑過(guò)渡到行星輥凹面。
     
      基于以上要求,應滿(mǎn)足條件:β<α,α為密封角右側圓弧線(xiàn)相對于行星輥軸心的夾角,β為密封角左側圓弧線(xiàn)相對于D1點(diǎn)軌跡圓心的夾角(圖14)。
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
     
      優(yōu)點(diǎn):結構簡(jiǎn)單,方便M1點(diǎn)密封件與D1、D2點(diǎn)密封件之間側向平滑過(guò)渡,以及M1點(diǎn)密封件在D1、D2點(diǎn)密封件與行星輥凹面之間平滑過(guò)渡。
     
      缺點(diǎn):加工、潤滑難度偏大,圓弧形接觸面可能會(huì )因長(cháng)期磨損而變得尖銳,影響密封效果。
     
      4.密封塊
     
      密封塊主要應用于行星輥圓弧面(一個(gè)或多個(gè)),橫截面類(lèi)似于矩形、或T型等,比普通密封片寬,可減少密封件數量,降低潤滑油消耗(潤滑油噴射量不易控制,可減少?lài)娚浯螖担?,方便控制,不過(guò)。須注意密封塊過(guò)寬對其卡槽的側向擠壓,以及密封塊自身的側向強度。
     
      必要時(shí),可在密封塊表面適當位置開(kāi)設潤滑油噴口、壓力平衡孔等。
     
      5.齒形密封條
     
      齒形密封條是一種外沿呈齒形狀的弧形密封條(圖12),可在行星輥軸向進(jìn)行補償,在徑向上可視情況確定是否進(jìn)行補償。是行星輥圓弧面的第一道密封件(圖15、圖16),既負責行星輥端面的密封,又負責行星輥圓弧面密封件之間在端部空隙處(徑向移動(dòng)產(chǎn)生的空隙)的密封。
     
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
    行星式流體能量轉換結構密封難點(diǎn)分析<一>
      6.行星輥端面密封
     
      行星輥端面位置有限,情況復雜,在密封方面需要同時(shí)考慮到:行星輥端面四周密封(包括齒形密封條)、行星輥端面潤滑油道、至行星輥內部的潤滑油通道、密封件液壓控制油道、端面潤滑油保護墻(密封條)。對于發(fā)動(dòng)機,必要時(shí)還可能設置多道潤滑油保護墻。當然,行星輥端面密封、潤滑需視具體情況而定,圖15、16屬于在密封、潤滑、冷卻、控制等方面的示意圖。

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    標簽: 能量轉換流體行星  

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